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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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18392
24/10/2018

Nouveaux concepts de nano-filtres infrarouges à l’échelle du pixel

L.MACE

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Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 24 Octobre 2018, 269p., Président: P.LALANNE, Rapporteurs: R.HAIDAR, F.DE FORNEL, Examinateurs: A.L.FEHREMBACH, N.PERE-LAPERNE, Directeurs de thèse: O.GAUTHIER LAFAYE, A.MONMAYRANT , N° 18392

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Abstract

In the near-infrared (NIR) and mid-infrared (MIR) spectral domains (3-10µm), requirements and needs evolve toward more complex optical functions and highly-integrated systems. This is especially relevant in the context of space and aeronautics applications for earth observation, where the aim is to increase the number of acquired spectral bands while simultaneously reducing the device footprint. These requirements translate into a pixelization of the filters so that they can be integrated into a mosaic which also performs the spatial filtering and different spectral functions. As of today, conventional thin films filter technologies haven’t been shown to achieve this goal. As a result, different filtering concepts originating from the field of photonics which could overcome these limitations must be investigated. “Zero-contrast gratings” (ZCG) are a kind of guided-mode resonance filters that have proved to implement efficient tunable transmission filters in the MIR, while having a very simple structure. Nevertheless, their narrow transmission linewidth and weak angular acceptance hinder their applicability for pixelated applications in the MIR. We present in this work several structures based on the ZCG concept. On the one hand, we have introduced doubly-corrugated 1D filters with bandwidths ranging from 1 to 200nm, allowing for 100µm pixel sizes and tunable over a domain of 200nm. On the other hand, we have shown a novel filtering concept, which we called “TE/TM ZCG”. This new generation of ZCG is not bound by stringent material requirements inherent to conventionnal ZCGs. Their fabricability have been demonstrated through cleanroom operations. A first doubly-corrugated 1D filter has been fabricated and characterized optically.

Résumé

Dans le domaine du proche infrarouge et du moyen infrarouge (3-10µm), les besoins évoluent vers une plus grande complexité des fonctions optiques et un niveau d’intégration plus élevé des systèmes. Ceci est particulièrement vrai dans un contexte spatial ou aéronautique visant à l’observation de la terre, où l’on cherche simultanément à accroître le nombre de bandes spectrales acquises et à miniaturiser les systèmes d’observation. Cela se traduit notamment par une pixellisation des filtres afin que ceux-ci soient intégrés dans une matrice réalisant plusieurs fonctions optiques. Or, les méthodes traditionnelles de fabrication de filtres optiques utilisant des empilements de couches minces n’ont pas démontré leur capacité à répondre au besoin de pixellisation dans l’infrarouge. C’est pourquoi il est nécessaire d’étudier de nouveaux concepts de filtrages issus du domaine de la photonique permettant de s’affranchir de ces limitation! s. Les « zero-contrast gratings » (ZCG), qui constituent une sous-catégorie des réseaux résonnants, ont démontré leur capacité à réaliser des filtres en transmission accordables de grande efficacité dans le proche-infrarouge, tout en ayant une structure très simple. Néanmoins, leur faible bande passante et leur tolérance angulaire réduite en limitent la pertinence pour des applications pixellisées dans le moyen-infrarouge. Nous présentons dans cette thèse diverses structures basées sur ce même concept de ZCG. D’une part nous introduisons des filtres 1D doublement corrugués de bande passante variant entre 1 et 200nm, dont les tailles de pixels accessibles sont de l’ordre de 100µm, accordables sur une bande de 200nm. D’autre part, nous avons développé un nouveau concept de filtre, dit « ZCG TE/TM » dont le fonctionnement permet de dépasser une limitation très restrictive des ZCGs conventionnels pour le choix d! es matériaux. La fabricabilité de ces dispositifs a été démontrée lors d’opérations technologiques menées en salle blanche. Un premier démonstrateur de filtre 1D doublement corrugué été caractérisé optiquement.

Mots-Clés / Keywords
Photonique; Réseaux sub-longueur d'onde; Filtrage spectral; Infrarouge; Nanotechnologies; Photonics; Spectral filter; Infrared; Nanotechnology;

145333
18337
18/10/2018

Contribution aux analyses de fiabilité des transistors HEMTs GaN ; exploitation conjointe du modèle physique TCAD et des stress dynamiques HF pour l'analyse des mécanismes de dégradation.

D.SAUGNON

MOST

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 18 Octobre 2018, 194p., Président: , Rapporteurs: O.LATRY, D.PLANSON, Examinateurs: C.AUPETIT-BERTHELEMOT, Y.CORDIER, A.SOLTANI, Directeurs de thèse: J.G.TARTARIN, F.BOONE, H.MAHER , N° 18337

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01922315

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Résumé

Dans la course aux développements des technologies, une révolution a été induite par l’apparition des technologies Nitrures depuis deux décennies. Ces technologies à grande bande interdite proposent en effet une combinaison unique tendant à améliorer les performances en puissance, en intégration et en bilan énergétique pour des applications hautes fréquences (bande L à bande Ka en production industrielle). Ces technologies mobilisent fortement les milieux académiques et industriels afin de proposer des améliorations notamment sur les aspects de fiabilité. Les larges efforts consentis par des consortiums industriels et académiques ont permis de mieux identifier, comprendre et maîtriser certains aspects majeurs limitant la fiabilité des composants, et ainsi favoriser la qualification de certaines filières. Cependant, la corrélation et l’analyse physique fine des mécanismes de dégradation suscite encore de nombreux questionnements, et il est indispensable de renforcer ces études par une approche d’analyse multi-outils. Nous proposons dans ce travail de thèse une stratégie d’analyse selon deux aspects majeurs. Le premier concerne la mise en oeuvre d’un banc de stress qui autorise le suivi de nombreux marqueurs électriques statiques et dynamiques, sans modifier les conditions de connectiques des dispositifs sous test. Le second consiste à mettre en oeuvre un modèle physique TCAD le plus représentatif de la technologie étudiée afin de calibrer le composant à différentes périodes du stress. Le premier chapitre est consacré à la présentation des principaux tests de fiabilité des HEMTs GaN, et des défauts électriques et/ou structuraux recensés dans la littérature ; il y est ainsi fait état de techniques dites non-invasives (c.-à-d. respectant l’intégrité fonctionnelle du composant sous test), et de techniques destructives (c.-à-d. n’autorisant pas de reprise de mesure). Le second chapitre présente le banc de stress à haute fréquence et thermique développé pour les besoins de cette étude ; l’adjonction d’un analyseur de réseau vectoriel commutant sur les quatre voies de tests permet de disposer de données dynamiques fréquentielles, afin d’interpréter les variations du modèle électrique petit-signal des modules sous test à différentes périodes du stress. Des résultats de vieillissement de composants HEMTs GaN à 4,2GHz, réalisés à température ambiante et pour différents points de compression de la puissance de sortie, sont interprétés, conduisant à des observations originales quant au mécanisme de dégradation identifié. Le troisième chapitre porte sur la simulation physique TCAD de transistor HEMT GaN ; ce modèle est calibré sur une filière industrielle (sur laquelle nous disposons de nombreuses données), mais peut-être adapté selon les aménagements technologiques d’autres filières. Notre modèle a été aménagé afin de rendre compte au premier ordre de l’impact des charges fixes (selon leur localisation) sur les instabilités des tensions de seuil et de la densité de porteurs dans le canal, observées après contraintes HTOL. Ce modèle permet de distinguer des effets propres au canal de ceux induits par la commande de grille. Dans le dernier chapitre, nous exploitons la technologie GaN développée à l’Université de Sherbrooke pour concevoir un prototype d’amplificateur mono-étage MMIC et hybride à 4,2GHz.

Mots-Clés / Keywords
Nitrure de Gallium; HEMTs; Amplificateurs hybride; Amplificateurs MMIC; Fiabilité; Stress à haute fréquence;

144972
18199
06/07/2018

Efficacité énergétique des architectures de communication sans fils IR-UWB pour les réseaux de capteurs sans fil

B.BENAMROUCHE

MINC

Doctorat : INSA de Toulouse, 6 Juillet 2018, 121p., Président: P.PONS, Rapporteurs: L.FRESQUET, L.DOBRESCU, Examinateurs: N.VARACHIU, A.GHIOTTO, Directeurs de thèse: D.DRAGOMIRESCU , N° 18199

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01886636

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Abstract

This Ph.D. Subject proposes the design of a new generation of wireless sensor networks (WSN) based on impulse radio ultra-wide band (IR-UWB), reconfigurable upon the application, reliable and ultra-low power. Applications like structure health monitoring of aerospace structures or portable smart sensing systems for human protection can be targeted. These industrial applications impose very demanding specifications for the wireless communication protocol (in some cases, new services are needed like: localization, clock synchronization, real-time transmission, etc) on one side, and for the circuit design, on the other side, as the ultra-low power circuits are needed. Energy efficiency is the major driver in today development of the wireless sensor networks. We chose impulse radio ultra-wideband (IR-UWB) technique for our developments. IR-UWB is a very promising technique able to respond to the wireless communication protocol constraints and to energy efficiency constraints.! The objective of this Ph.D. will be to design an ultra-low power IR-UWB transceiver. IR-UWB signal processing techniques has to be study and innovator solution has to be proposed for the implementation of the IR-UWB transceiver. The first prototype will be developed on FPGA boards (and/or USRP boards) and the final IR-UWB transceiver will be an ASIC in CMOS technology. The design of an ultra-low power consumption of the CMOS transceiver will be a major concern. Modern ultra-low power circuit techniques from the nanometrics CMOS design kits will be used. MAC layer adapted to the demands of the application and working on IR-UWB physical layer will be also studied and designed. A microprocessor integration on the chip for power management of the different parts (sensor, communication, computing, energy harvesting) of the system can also be studied. This work will be based on the previous research results obtained in our team in the case of static WSN. This work will take plac! e in the highly stimulating and competitive environment of a E! uropean project.

Résumé

Le sujet de thèse propose une nouvelle génération de réseaux de capteur sans fil base sur impulse radio ultra wide bande (IR-UWB) reconfigurable suivant l'application souhaitée et a très basse consommation. Le dispositif peut être utilisé dans différents domaines comme l’aéronautique et l’aérospatiale. Ces applications industrielles imposent des spécifications très exigeantes pour le protocole de communication sans fil (dans certains cas, de nouveaux services sont nécessaires comme : la localisation, la synchronisation de l'horloge, la transmission en temps réel, etc.) D'un cote, et pour la conception de circuits, de l'autre cote, les circuits de puissance ultra-faible sont nécessaires. La consommation énergétique d’un système de communication sans fil est la contrainte majeure pour le déploiement d’un réseau de capteurs sans fil autonome. Les travaux de recherche présente dans cette thèse ont menés au développement d’un émetteur-récepteur à très faible consommation d’énergie pour les réseaux de capteurs sans fil autonome pour des applications de structural Heath monitoring dans des domaines aéronautique. Une description est faite pour les différents types de technologie de communication sans fil pour la surveillance des structures (SHM), la technologie ultra large bande (UWB) et les régulations en bande autorisée dans le monde, quelles sont les différents application ciblées par de tels technologie en se concentrant sur les système de surveillance des structure pour le domaine aéronautique. Nous avons détaillé la communication sans fil ultra large bande (UWB) en présentant la technique de communication sans fil UWB par ! impulsion avec les avantages qu’elle offre pour notre application et illustrer les travaux existant actuellement. Une présentation est faite de l’architecture de l’émetteur-récepteur IR-UWB conçu en détaillant le design complet avec l’intégration de la solution proposée clock-gating pour un système à une grande efficacité énergétique avec une implémentation et validation d’un prototype sur une plateforme FPGA. Une description de la conception et la fabrication d’un système sur puce ASIC de notre design d’émetteur-récepteur IR-UWB avec la technologie CMOS 65nm de st microélectronique et les avantages qu’il offre que ça soit en terme d’efficacité énergétique ou de taille de système.

Mots-Clés / Keywords
Fatigue structurelle; Réseau de capteurs sans fil; Émetteur-récepteur IP-UWB; FPGA; ASIC; Faible consommation; Structural health monitoring; Wireless sensor network; IP-UWB Transceiver; Energy efficient;

144115
18255
01/06/2018

Matériaux fonctionnels et procédés technologiques pour la réalisation de composants optiques actifs transparents

A.HELIOT

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Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 1 Juin 2018, 200p., Président: G.MOLNAR, Rapporteurs: F.DE FORNEL, P.ETIENNE, Examinateurs: Y.JOURLIN, Directeurs de thèse: H.CAMON, T.GACOIN , N° 18255

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144493
18161
29/05/2018

Imagerie radar en ondes millimétriques appliquée à la viticulture

D.HENRY

MINC

Doctorat : 29 Mai 2018, 212p., Président: C.LUXEY, Rapporteurs: L.FERRO-FAMIL, C.MIGLIACCIO, Examinateurs: S.BILA, A.GHIOTTO, R.ROUVEURE, Directeurs de thèse: H.AUBERT , N° 18161

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Abstract

With the expansion of farm operations, the principle of homogeneity of crop yields (cereals, fruits …) becomes less and less relevant. This observation of spatial variabilities implies economic and environmental consequences with the development of new arrangements of agricultural works such as “site-specific management”. Treatments such as fertilizers, nutrients and pesticides must be used differently by applying them at the right time, right place and right rate. This new way to think the agriculture is called precision agriculture (PA) and gathers four technological fields: (i) remote sensing, (ii) navigation and guidance, (iii) data management and (iv) variable-rate technologies. Precision viticulture (PV) is an application of PA which was initiated in the late 90’s and is characterized by issues specific to viticulture. Work carried out during this thesis is a direct application of remote sensing (or proximal sensing) applied to PV. It focuses on a new method of remote sensing of grapes quantity (mass or volume) directly on vine plants. Estimating the quantity of grapes several weeks before harvesting offers many advantages with qualitative and economic impacts such as: (i) improving the yield / quality ratio with an early removal of a part of the harvest, (ii) optimizing human resources and equipment during the grape harvest, and (iii) be fairly compensated by insurances in case of severe weather conditions that damaged the vine plants. The method proposed here relies on microwave imagery (24 GHz and higher) generated by a FM-CW radar. It implies the set-up of ground-based remote reading system for a plant-by-plant intra-parcel analysis and particularly: (i) evaluating the measurement accuracy, precision and limits of the system, (ii) developing specific algorithms in order to analyze three-dimensional volume data, (iii) building statistical estimators for retrieving the volume of grapes and finally (iv) analyzing data acquired during field measurements. Because of the seasonality of the grape harvest, measurements are firstly performed on canonic targets, variable loads and passive sensors in laboratory. To enlighten the flexibility of the radar interrogation technique, the same system is also used as part of the regional project PRESTIGE to remotely count the number of apples on trees in orchards. This work has been funding by the company Ovalie-Innovation and the ANRT (Agence Nationale de la Recherche Technologique).

Résumé

Avec l’expansion des exploitations agricoles, le principe d’homogénéité du rendement (céréales, fruits…) devient de moins en moins pertinent. Ce phénomène de variabilité spatiale implique des conséquences économiques et environnementales avec le développement de nouveaux concepts agricoles comme les « site-specific management » (gestion spécifique des parcelles). Les traitements tels que les fertilisants, les intrants et autres pesticides doivent être utilisés de manière différente en les appliquant au bon endroit, à la bonne période et au bon taux. Cette nouvelle façon de penser l’agriculture fait partie de l’agriculture de précision (PA) et se concentre en quatre domaines technologiques : (i) la télédétection, (ii) la navigation et guidage, (iii) la gestion des données et (iv) les technologies à taux variable. Initiée à la fin des années 1990, la viticulture de précision (PV) est une branche particulière de la PA, caractérisée par des problématiques spécifiques à la viticulture. Les travaux effectués durant cette thèse entrent dans le cadre de la télédétection (ou détection proche) appliquée à la PV. Ils se focalisent sur une nouvelle méthode d’estimation de la quantité de grappes (masse ou volume) directement sur les plants de vignes. Pouvoir estimer le rendement des vignes plusieurs semaines avant la récolte offre de nombreux avantages avec des impacts économiques et qualitatifs, avec par exemple : (i) l’amélioration du rapport rendement/qualité en supprimant au plut tôt une partie de la récolte, (ii) l’optimisation des ressources humaines et la logistique à la récolte, (iii) un remboursement le plus équitable par les assurances en cas d’intempéries qui endommageraient les pieds de vignes. La méthode proposée ici repose sur l’imagerie microondes (à 24GHz ou des fréquences plus élevées) générée par un radar FM-CW. Elle implique la mise en place d’un système d’interrogation intra-parcellaire « pied par pied » à distance basé au sol, et en particulier : (i) l’évaluation de la précision des mesures et les limites du système, (ii) le développement d’algorithmes spécifiques pour l’analyse de données tridimensionnelles, (iii) la construction d’estimateurs pour retrouver le volume des grappes, et finalement (iv) l’analyse des données recueillies pendant les campagnes de mesures. Dû au caractère saisonnier des récoltes, les mesures sont en premier lieu effectuées sur des cibles canoniques, des charges variables et des capteurs passifs en laboratoire. Pour mettre en avant la flexibilité de cette interrogation radar, le même système est utilisé en parallèlement dans le cadre du projet régional PRESTIGE, pour compter à distance le nombre de pommes présentes sur les pommiers en verger. Ces travaux ont été financés par l’entreprise Ovalie-Innovation et l’ANRT (Agence Nationale de la Recherche Technologique).

Mots-Clés / Keywords
Capteurs passifs; Imagerie radar; Radar micro-ondes; Télédétection; Viticulture de précision; Millimeter-wave radar; Passive sensors; Precision viticulture; Radar imagery; Remote sensing;

143855
18010
23/01/2018

Etude et réalisation de jonctions tunnel à base d'hétérostructures à semiconducteurs III-V pour les cellules solaires multi-jonction à très haut rendement

K.LOUARN

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Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 23 Janvier 2018, 197p., Président: C.ALONSO, Rapporteurs: J.C.HARMAND, J.CONNOLLY, Examinateurs: Y.ROUILLARD, Directeurs de thèse: G.ALMUNEAU, A.BOUNOUH , N° 18010

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01705164

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Abstract

Multi-Jonction Solar Cells (MJSCs) are leading the way of high efficiency photovoltaic devices, with conversion efficiency up to 46%. Their subcells are designed to absorb in a specific and complementary range of the solar spectrum, and are connected in series with tunnel junctions. The tandem architecture InGaP/GaAs - with bandgaps of 1.87 eV and 1.42 eV respectively - is mature and its efficiency could be enhanced by incorporating subcell(s) with bandgaps of 1 eV and/or 0.7 eV. The Molecular Beam Epitaxy (MBE) growth of such low bandgap materials has thus to be developed, as well as low-resistive tunnel junctions with good structural and optical properties. Based on the MBE growth and the simulation of GaAs tunnel junctions, we have identified interband tunneling as the predominant transport mechanism in such devices rather than trap-assisted-tunneling. The interband tunneling mechanism could be enhanced with the type II GaAsSb/InGaAs heterostructure. Using this material system, we have then demonstrated tunnel junctions with very low electrical resistivity with a limited degradation of the optical and structural properties inherently induced by the use of low band-gap and lattice-mismatched GaAsSb and InGaAs materials. Moreover, we fabricated an innovative AlInGaAs/AlGaAsSb tunnel junction as a graded buffer architecture that could be used for the incorporation of a 1 eV metamorphic subcell. We then developed and characterized InGaAsN(Bi) materials with band-gaps of ~1eV, taking advantage of in-situ wafer curvature measurements during the MBE growth to control the lattice-mismatch. Preliminary solar cells based on GaAs, 1 eV dilute nitride and metamorphic InGaAs have been fabricated and characterized validating the developed tunnel junction architectures. This work has enabled to demonstrate the potential of the type II GaAsSb/InGaAs heterostructure to meet the challenges posed by the conception and the fabrication of GaAsbased MJSCs, both for the tunnel junction and the 1 eV subcell.

Résumé

L’architecture des cellules solaires multi-jonction permet d’obtenir des records de rendement de conversion photovoltaïque, pouvant aller jusqu’à 46%. Leurs sous-cellules sont chacune conçues pour absorber une partie bien définie et complémentaire du spectre solaire, et sont connectées en série par des jonctions tunnel. La fabrication de cellules solaires tandem InGaP/GaAs d’énergies de bande interdite (« band gap ») 1,87 eV/1,42 eV accordées en maille sur substrat GaAs est bien maîtrisée, et de très hauts rendements peuvent être obtenus en ajoutant une ou deux sous-cellules de plus petit « gap » (1 eV et 0,7eV). Pour cela, les matériaux « petits gaps » fabriqués par Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM) doivent être développés ainsi que des jonctions tunnel présentant une faible résistivité électrique, une haute transparence optique et de bonnes propriétés structurales. La croissance EJM et la modélisation de jonctions tunnel GaAs nous a permis d’identifier le mécanisme d’effet tunnel interbande plutôt que le mécanisme d’effet tunnel assisté par les défauts comme mécanisme dominant du transport dans ces structures. Nous avons exploité l’hétérostructure de type II fondée sur le système GaAsSb/InGaAs pour favoriser ce mécanisme d’effet tunnel interbande, et donc obtenir des jonctions tunnel de très faible résistivité tout en limitant la dégradation des propriétés optiques et structurales des composants inhérente à l’utilisation de matériaux « petits gaps » et désaccordés en maille GaAsSb et InGaAs. De plus, nous avons conçu une structure innovante d’hétérojonction tunnel de type II AlGaInAs/AlGaAsSb sous la forme de tampon graduel pour l’incorporation d’une sous-cellule métamorphique à 1 eV. Plusieurs candidats pour le matériau absorbeur à 1 eV à base de nitrure dilué InGaAsN(Bi) ont alors été développés et caractérisés, le contrôle de l’accord de maille étant assuré par un suivi en temps réel de la courbure de l’échantillon pendant la croissance EJM. Des premières cellules solaires III-V à base de GaAs, de nitrure dilué à 1 eV et de GaInAs métamorphique ont été fabriquées afin de valider les architectures développées de jonctions tunnel. Ce travail a permis de démontrer le potentiel de l’hétérostructure de type II GaAsSb/InGaAs pour répondre aux principaux défis de conception et de fabrication des cellules solaires multi-jonction sur substrat GaAs, que ce soit au niveau de la jonction tunnel ou au niveau de l’incorporation des sous-cellules de gap 1 eV.

Mots-Clés / Keywords
Photovoltaïque; Epitaxie; Cellules solaires multi-jonction; Semiconducteurs III-V; Jonction tunnel; Photovoltaic; Epitaxy; Multi-junction solar cells; III-V semiconductors; Tunnel junction;

142198
17500
20/12/2017

Conception et réalisation de rectennas utilisées pour la récupération d'énergie électromagnétique pour l'alimentation de réseaux de capteurs sans fils

A.OKBA

MINC

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 20 Décembre 2017, 159p., Président: M.BAFLEUR, Rapporteurs: T.P.VUONG, T.TARIS, Examinateurs: D.GRANENA, H.HALLIL ABBAS, P.CHAN, Directeurs de thèse: H.AUBERT, A.TAKACS, Membre invité: A.BELLION , N° 17500

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01705139

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Abstract

The electronic domain has known a significant expansion the last decades, all the advancements made has led to the development of miniature and efficient electronic devices used in many applications such as cyber physical systems. These systems use low-power wireless sensors for: detection, monitoring and so on. The use of wireless sensors has many advantages: • The flexibility of their location, they allow the access to hazardous areas. • The realization of lighter system, less expensive and less cumbersome. • The elimination of all the problems associated to the cables (erosion, impermeability…) • The deployment of sensor arrays. Therefore, these wireless sensors need to be supplied somehow with energy to be able to function properly. The classic ways of supplying energy such as batteries have some drawbacks, they are limited in energy and must be replaced periodically, and this is not conceivable for applications where the wireless sensor is placed in hazardous places or in places where the access is impossible. So, it is necessary to find another way to permanently provide energy to these wireless sensors. The integration and miniaturization of the electronic devices has led to low power consumption systems, which opens a way to another techniques in terms of providing energy. Amongst the possibilities, we can find the Wireless Power Transfer (WPT) and Energy Harvesting (EH). In fact, the electromagnetic energy is nowadays highly available in our planet thanks to all the applications that use wireless systems. We can take advantage of this massive available quantity of energy and use it to power-up the low power wireless sensors. This thesis is incorporated within the framework of WPT and EH. Its objective is the conception and realization of electromagnetic energy harvesters called “Rectenna” in order to supply energy to low power wireless sensors. The term “rectenna” is the combination of two words: Antenna and Rectifier. The Antenna is the module that captures the electromagnetic ambient energy and converts it to a RF signal, the rectifier is the RF circuit that converts this RF signal into a continuous (DC) signal that is used to supply the wireless sensors. In this manuscript, several rectennas will be presented, for different frequencies going from the GSM frequencies (868 MHz, 915 MHz) to the Ku/Ka bands.

Résumé

L’électronique a connu une évolution incontestable ces dernières années. Les progrès réalisés, notamment dans l’électronique numérique et l’intégration des circuits, ont abouti à des systèmes plus performants, miniatures et à faible consommation énergétique. Les évolutions technologiques, alliant les avancées de l’informatique et des technologies numériques et leur intégration de plus en plus poussée au sein d’objets multiples, ont permis le développement d’un nouveau paradigme de systèmes qualifiés de systèmes cyber-physiques. Ces systèmes sont massivement déployés de nos jours grâce à l’expansion des applications liées à l’Internet Des Objets (IDO). Les systèmes cyber-physiques s’appuient, entre autre, sur le déploiement massif de capteurs communicants sans fil autonomes, ceux-ci présentent plusieurs avantages : • Flexibilité dans le choix de l’emplacement. Ils permettent l’accès à des zones dangereuses ou difficiles d’accès. • Affranchissement des câbles qui présentent un poids, un encombrement et un coût supplémentaire. • Elimination des problèmes relatifs aux câbles (usure, étanchéité…) • Facilité de déploiement de réseaux de capteurs Cependant, ces capteurs sans fils nécessitent une autonomie énergétique afin de fonctionner. Les techniques conventionnelles telles que les batteries ou les piles, n’assurent le fonctionnement des capteurs que pour une durée limitée et nécessitent un changement périodique. Ceci présente un obstacle dans le cas où les capteurs sans fils sont placés dans un endroit où l’accès est impossible. Il est donc nécessaire de trouver un autre moyen d’approvisionner l’énergie de façon permanente à ces réseaux de capteurs sans fil. L’intégration et la miniaturisation des systèmes électroniques ont permis la réalisation de systèmes à faible consommation, ce qui a fait apparaître d’autres techniques en termes d’apports énergétiques. Parmi ces possibilités se trouvent la récupération d’énergie électromagnétique et le transfert d’énergie sans fil (TESF). En effet, l’énergie électromagnétique est de nos jours, omniprésente sur notre planète, l’utiliser donc comme source d’énergie pour les systèmes électroniques semble être une idée plausible et réalisable. Cette thèse s’inscrit dans ce cadre, elle a pour objectif la conception et la fabrication de systèmes de récupération d’énergie électromagnétique pour l’alimentation de réseaux de capteurs sans fil. Le circuit de récupération d’énergie électromagnétique est appelé « Rectenna », ce mot est l’association de deux entités qui sont « antenne » et « rectifier » qui désigne en anglais le « redresseur ». L’antenne permet de récupérer l’énergie électromagnétique ambiante et le redresseur la convertit en un signal continu (DC) qui servira par la suite à alimenter les capteurs sans fil. Dans ce manuscrit, plusieurs rectennas seront présentées, pour des fréquences allant des bandes GSM 868MHz, 915MHz, passant par l’UMTS à 2GHZ et WIFI à 2,45GHz, et allant jusqu’aux bandes Ku et Ka.

Mots-Clés / Keywords
Systèmes cyber-physiques; Capteur sans fil; Transfert d’énergie; Récupération d’énergie électromagnétique; Antenne; Redresseur; Rectenna; Cyber physical systems; Low-power wireless sensors; Wireless power transfer; Energy harvesting; Antennas; Rectifier;

142233
17468
08/12/2017

Conception et analyse de micro-résonateurs opt iques pour la générat ion de peignes de fréquences

C.ARLOTTI

PHOTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 8 Décembre 2017, 156p., Président:P.ARGUEL, Rapporteurs: P.FERON, R.OROBTCHOUK, Examinateurs: N.BELABAS, Directeurs de thèse: S.CALVEZ, G.ALMUNEAU , N° 17468

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01681181

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Abstract

Whispering-gallery –mode micro-resonators, whether in the form of disks, rings or racetracks, have become the key building blocks of many high-performance photonic components. The embodiments exploiting the III-V semiconductors are particularly attractive for they open the possibility of integrating active and passive sections together and therefore diversify the functionalities on the same photonic chip. Furthermore, the vertical integration of the resonator above its access waveguide(s) makes it possible to distribute the active and passive functions on distinct planes and makes the realization of the components easier by using better-controlled methods. A fabrication technique recently introduced in the team and based on the AlGaAs / AlOx technological platform, allowed us to realize, by means of simple steps, vertically-coupled microdisks. The performance of these components, however, is limited due to their architecture, complicated by their constitutive multilayer stack. The research carried out during this PhD thesis focused on the feasibility of emitting an optical frequency comb from these resonators. For this purpose, the components must be designed so as to present a sufficiently high quality factor while maximizing the power circulating in the cavity in order to be able to trigger the non-linear processes required for the comb generation. For a transverse singlemode component, the intracavity power is maximal when the system operates in critical coupling regime, i.e .when the losses inside the cavity are equal to external losses (or coupling losses). As a first step, we have developed a semi-analytical tool based on a modal expansion in order to carry out a broadband parametric study of the performances of vertically coupled systems. Up to now, this coupling layout has indeed been little studied, both theoretically and practically. Our generic model, based on the coupled mode theory (CMT) and the universal relations governing the spectral properties of coupled micro-resonators, reveals two theoretical conditions for obtaining an achromatic critical-coupling regime when the cavity and its access waveguide are phase-mismatched. We first applied it to the simulation of single-mode racetrack resonators made of Si3N4 / SiO2 since several studies have already demonstrated comb generation using this technological platform. Our work resulted in the design of phase-mismatched and technologically feasible structures with criticalcopuling bandwidths being increased by one order of magnitude compared to the reference case of phase-matched waveguides. We subsequently initiated a numerical evaluation of frequency comb generation, based on the iterative resolution of the non-linear Schrödinger equation taking into account the variations of the spectral and dispersive properties of these racetracks. The generic model has finally been applied to AlGaAs / AlOx microdisks. For this purpose, we have introduced a criterion allowing an unambiguous implementation of CMT in the case of asymmetric couplers having a multi-layer separation zone. The results, in good agreement with experimental data, allowed us to better understand the limitations of the fabricated devices and to propose new structures AlGaAs / AlOx with improved performances. The experimental validation of the proposed designs for both the Si3N4 / SiO2 and AlGaAs / AlOx components is currently in progress.

Résumé

Les micro-résonateurs à modes de galerie, qu’ils soient déclinés sous forme de disques, anneaux ou hippodromes, sont devenus les éléments constitutifs clés de nombreux composants photoniques de haute performance. Les réalisations exploitant les semiconducteurs III-V sont particulièrement attrayantes car elles ouvrent la possibilité d’intégrer conjointement des sections actives et passives et donc de diversifier les fonctionnalités sur une même puce photonique. Au niveau technologique, l’intégration verticale du résonateur au-dessus de ses guides d’accès permet de distribuer les fonctions actives et passives sur des plans distincts et de faciliter la réalisation des composants grâce à des procédés mieux maitrisés. Une technique de fabrication récemment introduite dans l’équipe et basée sur la filière AlGaAs/AlOx a ainsi permis de réaliser, à l’aide d’étapes simples, des micro-disques couplés verticalement à leur guide d’accès. Les performances de ces composants restent toutefois limitées en raison de leur architecture, complexifiée par les empilements multicouches qui les constituent. Les travaux de recherche menés au cours de cette thèse ont porté sur la faisabilité d’émettre un peigne de fréquences optiques à partir de ces résonateurs. Pour cela, les composants doivent être conçus de manière à présenter un facteur de qualité suffisamment élevé tout en maximisant la puissance circulant dans la cavité, afin de pouvoir déclencher les processus non-linéaires à la base de la génération du peigne. Pour un composant monomode transverse, la puissance intracavité est maximale lorsque le système opère en régime de couplage critique, c’est-à-dire lorsque les pertes internes à la cavité sont égales aux pertes externes (ou pertes par couplage). Nous avons donc développé un outil semi-analytique basé sur une expansion modale afin de réaliser une modélisation paramétrique large bande des performances des systèmes couplés verticalement, encore peu étudiés, tant au plan théorique que pratique. Notre modèle générique exploite la théorie des modes couplés (CMT) et les relations universelles régissant les propriétés spectrales des micro-résonateurs couplés. Nous l’avons étendu en étudiant l’influence spectrale de différents paramètres opto-géométriques sur la fonction de transfert de la cavité couplée et avons, en particulier, mis en évidence par une approche variationnelle, deux conditions théoriques permettant d’obtenir un régime critique achromatique lorsque la cavité et son guide d’accès sont désaccordés en phase. Ce modèle à d’abord été appliqué à la simulation de résonateurs en hippodromes exploitant la filière Si3N4/SiO2 car plusieurs études ont déjà démontré la génération de peignes avec cette plateforme technologique. Ces travaux ont abouti au dessin de structures désaccordées en phase et technologiquement réalisables dont la bande passante critique est augmentée d’un ordre de grandeur par rapport au cas plus répandu de guides accordés en phase. Nous avons ensuite initié une évaluation numérique de la génération de peignes de fréquences, basée sur la résolution itérative de l’équation de Schrödinger non-linéaire prenant en compte les variations des propriétés spectrales et dispersives de ces hippodromes. Le modèle générique a enfin été appliqué aux micro-disques AlGaAs/AlOx. Pour cela, nous avons introduit un critère permettant d’utiliser la CMT dans le cas de coupleurs asymétriques présentant une zone de séparation multicouche. Les résultats, en bon accord avec l’expérience, nous ont permis de mieux appréhender les limitations des dispositifs réalisés et de proposer de nouvelles structures pour en améliorer les performances. Le dessin d’une nouvelle structure AlGaAs/AlOx multicouche permettant d’améliorer les facteurs de qualité des résonateurs jusqu’à deux ordres de grandeurs a ainsi été proposé. La validation expérimentale des dessins proposés tant pour la filière Si3N4/SiO2 que AlGaAs/AlOx est en cours.

141873
17658
05/12/2017

Développement d’un système de mesure sans fil de surpression en environnement extrême

J.FOURMANN

MINC

Doctorat : INP de Toulouse, 5 Décembre 2017, 165p., Président: T.P.VUONG, Rapporteurs: E.PERRET, B.SERIO, Examinateurs: J.LUC, Directeurs de thèse: H.AUBERT, P.PONS , N° 17658

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01930602

Diffusable

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Abstract

The bandwidth of the current measurement chains is often limited for air pressure measurement in the context of detonics. Furthermore, the transmission of the measurement signal in an extreme environment via cables of several tens of meters can reduce the reliability of the measurement while limiting the bandwidth. A theoretical analysis of the measurement chain is implemented in order to understand the influence of the bandwidth on the signal to be measured and the different elements limiting the bandwidth. A wireless transmission of the measurement signal is developed to transmit transient regimes in a fireball during an explosion. This solution is fully described and positioned in the state of the art. It makes it possible to measure rise times of the order of one hundred nanoseconds.

Résumé

Mots-Clés / Keywords
Mesure sans fil; Bande passante; Surpression aérienne; Onde de choc; Environnement extrême; Wireless measurement; Bandwidth; Overpressure; Shock wave; Harsh environment;

145159
17462
01/12/2017

Lithographie par nanoimpression pour la fabrication de filtres à réseaux résonants en cavité

S.AUGÉ

PHOTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 1er Décembre 2017, 192p., Président: P.ARGUEL, Rapporteurs: J.BOUSSEY, Y.JOURLIN, Examinateurs: V.YAM, Directeurs de thèse: O.GAUTHIER LAFAYE, A.MONMAYRANT , N° 17462

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01680890

Diffusable

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Abstract

Cavity resonator integrated grating filters (CRIGFs) are a new generation of nanostructured reflective filters. They present a strong interest for many applications. However, their manufacturing is relatively complex: CRIGFs are components structured at small scales compared to the wavelength of interest but on a relatively large area. They are usually made by electron beam lithography technique which presents a sufficient resolution but does not allow parallel patterning and is thereby time consuming for large area components. Furthermore, CRIGFs are often fabricated on insulating wafers which make the e-beam lithography process more complicated. In this PhD, a CRIGF process manufacturing has been implemented through soft mold nanoimprint lithography (SNIL). This high throughput collective technology keeps the benefits of the traditional electron beam lithography while overcoming its limits. Nano-scale patterns can be made by a simple stamping under UV exposure of a soft mold on a polymer resist layer. After stabilizing the process and assessing the technique limits, plenty of CRIGFs have been manufactured. They exhibit optical performances in the near-infrared range equivalent to those manufactured by e-beam lithography. Secondly, it has been demonstrated that the implemented process is generic. We have shown the possibility to overcome the usual design trade-offs by structuring directly the waveguide, before embedding. Moreover, this same process has been shown to be applied in a straightforward way to fabricate CRIGFS in the mid-infrared range using a III-V crystalline material and micrometric sized patterns. Finally, we have demonstrated the great flexibility and sustainability of the process by testing different potential geometries of CRIGFs. Notably, we have designed a CRIGF with a period gradient leading to the first tunable CRIGF ever demonstrated. Lastly, we have evaluated the potential manufacturing of complex CRIGFs with several corrugation levels.

Résumé

Les filtres CRIGFs sont une nouvelle génération de filtres optiques réflectifs nanostructurés qui présentent un très fort intérêt pour de nombreuses applications. Cependant, leur fabrication est relativement complexe : il s’agit de composants structurés à des échelles petites devant la longueur d’onde d’utilisation, mais de surface totale relativement grande. Ils sont usuellement fabriqués en utilisant des procédés de lithographie de type lithographie électronique, qui présente une résolution suffisante mais qui est séquentielle et donc lente pour de telles surfaces de composant. En outre, les CRIGFs sont souvent réalisés sur des substrats isolants, ce qui complexifie encore plus l’utilisation de cette lithographie. Lors de cette thèse, un procédé de fabrication des CRIGFs a été développé à partir de la lithographie par nanoimpression via moule souple (SNIL). Cette technologie collective et à haut rendement contourne les inconvénients et garde les avantages de la traditionnelle lithographie électronique. Elle permet de fabriquer des motifs nanométriques par simple pressage d’un moule souple sur une couche de résine de polymères sous insolation d’ultraviolets. Après avoir stabilisé le procédé et établi les limites de la technologie, de nombreux filtres CRIGFs ont ainsi été créés. Ils présentent des résultats optiques équivalents dans le proche infrarouge (NIR) à ceux fabriqués par lithographie électronique. Dans un deuxième temps, le caractère générique du procédé mis en place a été démontré de plusieurs façons. Premièrement, nous avons montré qu’il était possible à l’aide de celui-ci de dépasser les compromis usuels de conception en structurant directement le guide d’onde, qui sera ensuite ré-encapsulé. Deuxièmement, nous avons montré que ce même procédé pouvait être directement transféré pour réaliser des filtres CRIGF dans la gamme du moyen infrarouge, bien que les filtres soient alors réalisés sur un matériau cristallin III-V et présentent des dimensions micrométriques plutôt que nanométriques. Enfin, nous avons démontré la grande souplesse et stabilité du procédé en l’utilisant pour explorer différentes géométries potentiellement intéressantes de cette nouvelle famille de filtres optiques nanostructurés. Nous avons notamment étudié des CRIGFs comportant un gradient de période qui ont permis pour la première fois d’obtenir un filtre CRIGF accordable. Pour finir, nous nous sommes attachés à étudier le potentiel de réalisation de filtres CRIGFs plus complexes et présentant plusieurs niveaux de corrugation.

Mots-Clés / Keywords
Nanoimpression; filtre à réseaux; lithographie à haute résolution; SNIL; CRIGF; Nanoimprint; Grating filter; High resolution lithography;

141853
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